【儀表網 研發快訊】作為一種轉換型正極材料，碘(I?)展現出儲量豐富、環境友好以及通過雙電子I?/I?氧化還原反應實現的高比容量(211 mAh g?¹)等優勢。然而，液態鋰-碘(Li||I?)電池存在多碘化物穿梭效應，導致電池失效。采用固態電解質可以有效避免這一問題，并提升電池安全性。此外，如果碘的價態可以提升到+1價，I?的氧化還原反應便可以提供更大的容量。基于上述分析，南京大學何平教授、周豪慎教授團隊通過設計I2/Li4.2InCl7.2(LIC7.2)納米復合電極，開發了一種四電子全固態Li||I2電池。與普通Li3InCl6(LIC6)相比，LIC7.2能夠提供更豐富的Cl配位環境，同時保持高電壓穩定性和良好的離子電導率。因此，研究人員預期I2/LIC7.2電極中的I2/I+氧化還原行為將比I2/LIC6電極更為顯著。在此基礎上，通過一系列拉曼光譜、X射線光電子能譜(XPS)測量和密度泛函理論(DFT)計算，成功實現了可逆的I-/I2/I+四電子固相轉化化學。這使得全固態Li||I2電池的庫侖效率接近100%，并使比容量翻倍(圖1)。
 

圖 1.液態Li||I2電池和基于LIC7.2的全固態Li||I2電池示意圖。
 

　　在室溫下，I2質量負載為0.5 mg cm-2評估全固態Li||I2電池的電化學性能，電池表現出優異的倍率性能(圖2a)，在第二次循環中表現出430 mAh g-1的比容量與穩定循環600次的壽命(圖2b)。在更高的I2質量負載與高溫高面載工況下仍然保持優異的性能(圖2c-f)。此外，所制備的全固態Li||I2軟包電池在剪切測試中顯示出可靠的安全特性(圖2h-i)。這項工作豐富了對I2電極固相反應化學的基本理解，并將激勵更多研究探索具有高能量密度的新型全固態電池系統。
 

　　圖 2.四電子全固態 Li||I2 電池的電化學性能。a-b 質量負載為 0.5 mg cm-2的電池的倍率與循環性能。c-d I2質量負載為 3.5 mg cm-2的電池的倍率與循環性能。e-f 高溫高面載工況下全固態Li||I2電池的充放電曲線與循環性能。g 四電子全固態Li||I2電池的面容量和循環壽命與文獻報道的高面容量條件下轉換型正極全固態電池的結果比較。h-i 全固態Li||I2軟包電池為LED燈供電與剪切安全性測試的照片。
 

　　相關工作以“Realizing four-electron conversion chemistry for all-solid-state Li||I2 batteries at room temperature”為題，于2025年2月18日在《Nature Communications》上在線發表。我校現代工學院何平教授與周豪慎教授為論文通訊作者，該院2021屆博士程鑄與2020級直博生劉航為該論文的共同第一作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省重點研發計劃、江蘇省碳達峰碳中和科技創新專項資金等項目的資助，同時也得到了固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心、江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室和南京大學儲能材料與技術中心等單位的支持。